一種空心球狀金紅石二氧化鈦介晶及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種空心球狀金紅石二氧化鈦介晶及其制備方法，屬于金屬氧化物功能材料的制備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]二氧化鈦是少數(shù)幾種無論在酸性還是在堿性條件下都非常穩(wěn)定的無機(jī)材料之一，由于具有優(yōu)異的生物相容性，并且本身無毒無害，同時(shí)資源充足，成本低廉，在光催化、電致變色、染料敏化太陽能電池以及鋰離子電池方面具有廣闊的應(yīng)用前景，日漸成為解決全球環(huán)境與能源問題的一種關(guān)鍵材料。介晶結(jié)構(gòu)材料具有豐富的介孔，其原子排列取向接近于單晶結(jié)構(gòu)，因而其物理化學(xué)性質(zhì)與單晶類似，而比表面積顯著高于單晶，成為近年來研宄熱點(diǎn)之一。目前二氧化鈦介晶的制備方法主要有水熱/溶劑熱法，以及前驅(qū)物的拓?fù)滢D(zhuǎn)變等。其中水熱/溶劑熱法需要高溫高壓環(huán)境，能耗大，環(huán)境友好性差，存在較大安全隱患，產(chǎn)業(yè)化成本較高；而拓?fù)滢D(zhuǎn)變法需要制備合適的前驅(qū)物，通過前驅(qū)物的后續(xù)處理過程得到二氧化鈦介晶。目前已經(jīng)得到的二氧化鈦結(jié)晶的形貌有納米棒、納米花空心納米磚，啞鈴型以及片狀結(jié)構(gòu)，但還沒有低溫一步法直接制備由金紅石結(jié)晶納米棒堆疊而成的空心球狀結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種過程簡(jiǎn)單、無模板、低成本的一步法制備的空心球狀金紅石二氧化鈦介晶及其制備方法。
[0004]本發(fā)明的空心球狀金紅石二氧化鈦介晶，是由金紅石結(jié)晶納米棒組裝而成的空心球狀結(jié)構(gòu)，空心球體的直徑為3.0-6.0 μ m，納米棒的長(zhǎng)度為200~500nm，寬度為100~250nmo
[0005]本發(fā)明的空心球狀金紅石二氧化鈦介晶的制備方法，其具體步驟如下:
I)將質(zhì)量濃度63%的硝酸加入到質(zhì)量濃度10%的雙氧水溶液中，硝酸和雙氧水溶液的體積比為0.02-0.06 ；
2 )向步驟I)的硝酸和雙氧水混合溶液中加入草酸鈦鉀，使草酸鈦鉀在溶液中的濃度為100-200毫摩爾/升，超聲振蕩充分混合，然后密封，在80 0C下保溫48~72小時(shí)，經(jīng)離心分離、洗滌、干燥，得到空心球狀金紅石二氧化鈦介晶。
[0006]本發(fā)明首次實(shí)現(xiàn)了空心球狀結(jié)構(gòu)金紅石二氧化鈦介晶的低溫一步法制備。利用草酸鈦鉀為鈦源，利用草酸鈦鉀在溶有硝酸的雙氧水溶液中的水解-溶解-再沉積過程，在800C的低溫下制備得到高結(jié)晶度的空心球狀金紅石二氧化鈦介晶。該空心球狀結(jié)構(gòu)是由納米棒為基本組成單元組裝而成的二級(jí)結(jié)構(gòu)，單個(gè)納米棒的選區(qū)電子衍射表征表明合成納米棒具有類似單晶的結(jié)構(gòu)，單晶納米棒內(nèi)分布介孔。合成的空心球狀二氧化鈦介晶在光催化、光電催化、太陽能電池、氣體傳感器、生物材料、鋰離子電池等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0007]圖1為實(shí)施例1制備的空心球狀二氧化鈦介晶的低倍SEM照片； 圖2為實(shí)施例1制備的空心球狀二氧化鈦介晶的高倍SEM照片；
圖3為實(shí)施例1制備的空心球狀二氧化鈦介晶的XRD圖譜；
圖4為實(shí)施例1制備的空心球狀二氧化鈦介晶的基本組成單元納米棒的TEM照片；
圖5為實(shí)施例1制備的空心球狀二氧化鈦介晶的基本組成單元納米棒的HRTEM圖及FFT變換圖；其中圖a為HRTEM圖，圖b為FFT變換圖。
[0008]圖6為實(shí)施例1制備的空心球狀二氧化鈦介晶的氮?dú)馕角€；
圖7為實(shí)施例1反應(yīng)12小時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物的SEM圖；其中圖a為低倍SEM照片，圖b為高倍SEM照片。
[0009]圖8為實(shí)施例1反應(yīng)24小時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物的SEM圖；其中圖a為低倍SEM照片，圖b為高倍SEM照片。
[0010]圖9為實(shí)施例1反應(yīng)36小時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物的SEM圖；其中圖a為低倍SEM照片，圖b為高倍SEM照片。
[0011]圖10為實(shí)施例1反應(yīng)48小時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物的SEM圖；其中圖a為低倍SEM照片，圖b為高倍SEM照片。
[0012]圖11為實(shí)施例1反應(yīng)60小時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物的SEM圖；其中圖a為低倍SEM照片，圖b為高倍SEM照片。
[0013]圖12為12小時(shí)反應(yīng)產(chǎn)物XRD圖譜；
圖13為實(shí)施例2制備的空心球狀二氧化鈦介晶SEM照片；
圖14為實(shí)施例3制備的空心球狀二氧化鈦介晶SEM照片。
[0014]
【具體實(shí)施方式】
[0015]以下結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，但本發(fā)明不僅僅局限于下述實(shí)施例。
[0016]實(shí)施例1
1)取3mL質(zhì)量百分比為63%的硝酸加入到50 mL質(zhì)量百分比為10%的雙氧水溶液中；
2)在步驟I)得到的溶液中添加草酸鈦鉀，使草酸鈦鉀在溶液中的濃度為100毫摩爾/升，超聲振蕩充分混合，得到暗紅色透明溶液；
3)將步驟2)得到的暗紅色透明溶液密封，放置在80 0C烘箱中，保溫72小時(shí)，經(jīng)離心分離、洗滌、干燥，得到白色粉末，即為空心球狀金紅石二氧化鈦介晶。
[0017]本例制得的空心球狀金紅石二氧化鈦介晶如圖1、2所示，納米棒的寬度約100-250 nm，長(zhǎng)度約為200~500 nm，由納米棒組裝而成的空心球體直徑為3.0~6.0 μ m。圖3的XRD結(jié)果確認(rèn)所得粉末為結(jié)晶良好金紅石結(jié)構(gòu)二氧化鈦。圖4、5的TEM表征結(jié)果顯示，組成空心球狀的基本結(jié)構(gòu)單元為其內(nèi)分布介孔的金紅石二氧化鈦單晶(即介晶)。圖6的低溫氮?dú)馕角€表明，制備的樣品比表面積為32.19 1112/^，平均孔徑為11.3 nm，進(jìn)一步確認(rèn)介孔的存在。
[0018]圖7的時(shí)間系列試驗(yàn)顯示，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為12小時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物為納米線組裝成的球狀物，結(jié)合圖12可知，該產(chǎn)物為氫鈦酸。反應(yīng)時(shí)間為24小時(shí)，如圖8所示，納米線消失，出現(xiàn)棒狀結(jié)構(gòu)堆疊的實(shí)心球體。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，逐漸形成由納米棒組裝形成的空心球狀結(jié)構(gòu)，如圖9、10、11所示。
[0019]實(shí)施例2
1)取ImL質(zhì)量百分比為63%的硝酸加入到50 mL質(zhì)量百分比為10%的雙氧水溶液中；
2)在步驟I)得到的溶液中添加草酸鈦鉀，使草酸鈦鉀在溶液中的濃度為100毫摩爾/升，超聲振蕩充分混合，得到暗紅色透明溶液；
3)將步驟2)得到的暗紅色透明溶液密封，放置在80 0C烘箱中，保溫72小時(shí)，經(jīng)離心分離、洗滌、干燥，得到白色粉末。
[0020]本例制得的空心球狀金紅石二氧化鈦介晶的SEM照片如圖13，其結(jié)構(gòu)單元納米棒的長(zhǎng)度為150~250 nm,寬度為70~150 nm。
[0021]實(shí)施例3
1)取3mL質(zhì)量百分比為63%的硝酸加入到50 mL質(zhì)量百分比為10%的雙氧水溶液中；
2)在步驟I)得到的溶液中添加草酸鈦鉀，使草酸鈦鉀在溶液中的濃度為200毫摩爾/升，超聲振蕩充分混合，得到暗紅色透明溶液；
3)將步驟2)得到的暗紅色透明溶液密封，放置在80 0C烘箱中，保溫72小時(shí)，經(jīng)離心分離、洗滌、干燥，得到白色粉末。
[0022]本例制得的空心球狀金紅石二氧化鈦介晶的SEM照片如圖14，其結(jié)構(gòu)單元納米棒的長(zhǎng)度約為150~200 nm,寬度約為50~100 nm。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種空心球狀金紅石二氧化鈦介晶，其特征在于是由金紅石結(jié)晶納米棒組裝而成的空心球狀結(jié)構(gòu)，空心球體的直徑為3.0-6.0ym,納米棒的長(zhǎng)度為200~500nm，寬度為100~250nmo
2.制備權(quán)利要求1所述的空心球狀金紅石二氧化鈦介晶的方法，包括步驟如下: I)將質(zhì)量濃度63%的硝酸加入到質(zhì)量濃度10%的雙氧水溶液中，硝酸和雙氧水溶液的體積比為0.02-0.06 ； 2 )向步驟I)的硝酸和雙氧水混合溶液中加入草酸鈦鉀，使草酸鈦鉀在溶液中的濃度為100-200毫摩爾/升，超聲振蕩充分混合，然后密封，在80 0C下保溫48~72小時(shí)，經(jīng)離心分離、洗滌、干燥，得到空心球狀金紅石二氧化鈦介晶。
【專利摘要】本發(fā)明公開的空心球狀金紅石二氧化鈦介晶，是由金紅石結(jié)晶納米棒組裝而成的空心球狀結(jié)構(gòu)，空心球體的直徑為3.0~6.0μm，納米棒的長(zhǎng)度為200~500nm，寬度為100~250nm。其制備步驟為：將草酸鈦鉀溶于添加有硝酸的雙氧水反應(yīng)液中，在80oC下保溫48~72小時(shí)。本發(fā)明無需高溫高壓的水熱環(huán)境，低溫下一步獲得空心球狀金紅石二氧化鈦介晶，制備路線簡(jiǎn)便易行，成本低，粉末產(chǎn)率高，可應(yīng)用于光催化、鋰離子電池等領(lǐng)域。
【IPC分類】C01G23-053
【公開號(hào)】CN104843779
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510210633
【發(fā)明人】賴璐璐, 吳進(jìn)明
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年4月29日